2021年03月22日 | 飞思卡尔16位单片机（四）——GPIO输入功能测试

一、介绍

        在这篇文章中，我们以按键作为输入器件对飞思卡尔XEP100单片机的GPIO的输入功能进行测试。对应的硬件电路如下图所示。

        当按键未按下时，由于有上拉电阻R39~R312的作用，单片机检测到的电平为高电平；当按键按下时，单片机引脚与地短接，单片机检测到引脚为低电平。

         当按键按下时，按键输出端的原始电平如下图所示：

        由图中可以看出，在按键按下和松开时，按键的电平信号存在波动，一般为10~15ms，这样有可能导致误判。为了消除抖动，可行的方法有：硬件去抖和软件去抖两种方法。本文的电路上使用的方法为硬件去抖，即在按键的两端加了一个去抖电容。软件去抖的方法是在检测到按键按下后，延时10~15ms，跳过抖动的这段信号，再进行检测，如果是低电平则判断按键按下。

        本文的硬件电路的按键与单片机引脚的连接关系如下：

PTH3——KEY1

PTH2——KEY2

PTH1——KEY3

PTH0——KEY4

单片机的PH口是有中断功能的I/O口，因此对按键状态的读入有查询和中断两种方式。

        所谓查询方式是指，单片机以一定的时间间隔按时对输入口的电平进行读取。中断是指计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现在执行的程序，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回之前的程序的间断处，继续执行原程序。中断时单片机实时处理内部事件或外部事件的一种机制，当某种内部事件或外部事件发生时，单片机的中断系统将迫使CPU暂停正在执行的程序转而去执行中断事件，中断事件处理完毕后，再返回被中断的程序处，继续执行下去。中断机制如下图所示。   

在程序中使用中断具有以下优点：

（1）提高了CPU的效率。CPU与外围设备的工作方式有查询和中断两种方式，查询方法是无论外围设备是否需要服务，CPU每隔一段时间都要依次查询一遍，这种方法CPU需要花费时间做查询工作。而中断则是在外围设备需要服务时主动告诉CPU，CPU则停下当前的工作去处理中断程序，从而可以提高CPU的效率。

（2）可以实现实时处理。外围设备任何时刻都可以发出请求中断信号，CPU接到请求后及时处理，以满足实时的需求。

（3）可以及时处理故障。单片机系统运行过程中难免会出现故障，有许多事情是无法预料到的。如：电源掉电、存储器出错、外围设备工作不正常等，这时可以通过中断系统向CPU发送中断请求，由CPU及时转到相应的出错处理程序，从而提高了系统的可靠性。

        产生中断时，中断服务程序执行完毕后恢复单片机状态，单片机从被中断打断的地方继续执行。当某一中断事件发生，与该事件相对应的标志将被置位。如果该中断未使能，那么单片机不会对该中断作出反应。CCR寄存器中的全局中断屏蔽位I在复位之后为1，屏蔽掉所有中断事件。在用户程序完成堆栈指针和其他设置之后，清除I，允许单片机响应中断事件，程序中的 “EnableInterrupts;”语句就是实现使能中断的功能。当单片机接收到一个有效的中断请求，在响应之前，它会执行完当前运行的指令，然后逐周期执行以下过程：

        保存CPU寄存器到堆栈中

        设置CCR寄存器中的I=1，禁止全局中断

        获取当前所有挂起的待处理中断事件中最高优先级中断向量

        预取中断向量的地址排列到指令队列中

当单片机响应中断后，I自动置为1，避免中断嵌套。通常，ISR执行完毕后，I恢复为0（CCR从堆栈弹出）。如果在ISR中，清除I（即设置I=0），那么MCU有可能在当前中断事件未完成之前响应其他中断事件，即中断嵌套。中断嵌套可能对用户程序调试带来麻烦。

        当ISR执行到RTI指令，CCR，A，X，PC从堆栈恢复。

        用户可在自己的中断服务程序一开始将I清零，从而使能全局中断。那么当前运行的中断服务程序可以被其他中断打断，MCU运行新的中断服务程序，从而形成中断嵌套。用户在使用中断嵌套时会对调试带来不便，故建议避免使用中断嵌套。在中断服务程序的开始，用户程序应清掉产生该中断的标志位，其目的是同一中断源产生另外一个中断事件能够被记录，并在完成当前中断服务程序之后能够得到MCU的响应。

       每一个中断对应一个中断向量。这个向量指向这个中断的服务程序。用CodeWarrior编程时，在工程的“Project SettingsLinker Files”文件夹下的“Project.prm”文件中设置相应中断的中断向量。

二、查询方式读取按键

        在这个实验中，我们采用查询方式对按键的状态进行读取，主要代码如下，（完整代码可以从本文的资源中下载）

void main(void) {

DisableInterrupts;

  init_led_key();

  EnableInterrupts;

  for(;;) 

  {

      delay();

      data=data<<1;         //左移一位

      if(data==0)

          data=0x01;

      if(KEY1==0&&KEY1_last==1)   //按键F1按下

          mode=1;

      if(KEY2==0&&KEY2_last==1)   //按键F2按下

          mode=2;          

      KEY1_last=KEY1;             //保存F1的状态

      KEY2_last=KEY2;             //保存F2的状态

      if(mode==1)

          LED = ~data;

      else

          LED = data;

  } 

}

在这段代码中，发光二极管以流水灯的方式进行闪烁，每个周期经过delay()；函数延时之后，读取KEY1和KEY2的状态，并且与上个周期的转态进行比较，如果上个周期为1（没有按下），这个周期为0（按键按下），则改变灯闪的模式，如果按下按键“KEY2”，则8个灯中只有一个熄灭，并且熄灭的灯循环向右移动。按下按键“KEY1”，则8个灯中只有一个点亮，并且点亮的灯循环向右移动。

三、中断方式读取按键

        在这个实验中，我们通过中断来进行按键的读取，为了使能中断功能，首先要对按键进行初始化，代码如下所示。

void init_key(void) 

{

     KEY1_dir =0;       //设置为输入

     KEY2_dir=0;

     KEY3_dir=0;

     KEY4_dir=0;

     PPSH = 0x00;       //极性选择寄存器,选择下降沿;

     PIFH = 0x0f; //对PIFH的每一位写1来清除标志位;

     PIEH = 0x0f;       //中断使能寄存器;

}

在这段代码中，首先将每个按键的方向寄存器设置为输入状态，然后通过PPSH寄存器设置PH0~PH3的输入极性为下降沿触发中断。PIFH = 0x0f; 将标志位清除，PIEH=0x0f; 将中断功能使能。

        这个程序的主函数代码如下所示。

void main(void) {

DisableInterrupts;

  init_led();

  init_key();

EnableInterrupts;

  for(;;) 

  {

      delay(time);

      if(direction==1)

      {

          data=data<<1;         //左移一位

          if(data==0)

              data=0x01;

      } 

      else 

      {

          data=data>>1;         //右移一位

          if(data==0)

              data=0x80;

      }

      LED = ~data;

  } 

}

这段代码中，初始化了按键和LED，然后主循环中控制LED闪烁，LED的状态根据time和direction进行变化，time决定了延时的长短，进而影响闪烁的快慢，direction影响灯闪烁的方向。

        中断的处理函数如下所示

interrupt void PTH_inter(void) 

{

   if(PIFH != 0)     //判断中断标志

   {

      PIFH = 0xff;     //清除中断标志

      if(KEY1 == 0)         //按键1按下

      {

          time-=1;

          if(time==0)

              time=1;

      }

      if(KEY2 == 0) 

      {

          time+=1;

          if(time>10)

              time=10;

      }

      if(KEY3 == 0)

          direction=0;

      if(KEY4 == 0)

          direction=1;

   }

}

由于中断设置的是下降沿触发中断，当有按键按下时，会进入中断函数，在中断函数中，首先确认标志位，判断是否确实有中断发生，然后判断是哪个按键按下，用KEY1和KEY2来改变time的值，用KEY3和KEY4来改变direction的值。

        需要注意的是，要设置中断向量，在工程的“Project SettingsLinker Files”文件夹下的“Project.prm”文件中设置，如下所示，

VECTOR ADDRESS 0xffcc PTH_inter

这个实验的现象是，8个LED灯中有一个点亮，并且点亮的灯循环向右移动。按下按键“KEY1”，灯移动的速度加快；按下按键“KEY2”，灯移动的速度减慢；按下按键“KEY3”,灯向左移动；按下按键“KEY4”,灯向右移动。